Regional Climate Changes in Taiwan: Focusing on the Precipitation 劉紹臣 中央研究院環境變遷中心 National Tsing Hua University Oct. 7, 2009

天氣與氣候 天氣 (weather) ﹕空氣的短期狀態與變化 ( 短期﹕ ~ 10 天以內 ) 例如明天的温度、今天的天氣很好 氣候 (climate) ﹕天氣的長期平均值 ( 長期﹕ WMO 世界氣象組織定義 30 年平均才有氣候的代 表性 ) 例如全球平均氣温、一年平均幾個颱風侵台 ? 一個常被提出來的問題﹕ 10 天後的氣温都預報不準，還 要報幾十年以後的氣温 ? 答案﹕两者控制机制不同， 10 天後的温度難預報因其受 許多小尺度机制影响， 10 年後台灣的年平均氣温却容 易預報。

温室效應 (Greenhouse Effect) 全球平均地面氣温﹕ 14 o C 或 287 o K 若無溫室氣體﹕ -19 o C 或 254 o K 相差 33 o C, 這是地球的溫室效應, 因溫室氣體可讓陽 光透過大氣, 却阻擋紅外線散熱到外太空。 金星溫室效應有 460 o C, 因金星 CO2 有 100 大氣壓。 Runaway greenhouse effect, 因之無水 ? 行星之死 ? 火星溫室效應只有 3 o C, 因只有 0.06 大氣壓。 地球主要溫室氣體有 H2O, CO2, CH4, O3, N2O 目前絕大部份溫室氣體是自然的, 但 CO2, CH4, O3, N2O 過去 100 年來因人類活動而增加。

地球暖化 事實 : 觀測 + 模式計算 + 理論印証 預測 : 模式計算 + 理論印証 推測 : 合乎理論的推測

二十世紀人為溫室效應 ( 事實 ) 全球地面平均氣温增加 0.6 ± 0.2 o C, 全球海平面平均增加 m 北半球中、高緯度雨、雪增加 5-10% 大多數非極區陸上冰川明顯縮短。 北半球雪覆蓋自 1960 年後約減少 10% 其他現象變化不明顯，包括颱風、龍捲 風、冰雹、 雷電。

二十一世紀的氣候變化 ( 預測 ) 相對 20 世紀全球的 0.6 度增温， 21 世紀預測 增温高達 3-6 倍 ! 即 度。 相對 20 世紀全球的 0.6 度增温， 21 世紀預測 增温高達 3-6 倍 ! 即 度。 海平面上升 公分。 (not 4-8 meters) 海平面上升 公分。 (not 4-8 meters) 極高溫日數會增加，極低温日數會減少 中、高緯度雨、雪會增加 旱災更嚴重。 旱災更嚴重。 颱風、暴雨可能會更多、更嚴重。 ( 推測 )

二十一世紀温室氣体的變化 B1( 即 1.8 ℃ ) 是最樂觀 ( 即最低 ) 的温室氣体 排放情況 ，其二十一世紀的平均 CO2 排 放量是每人每年約 5 公噸，在此情況 CO2 於 2100 年將被控制在 550 ppm 左右 ( 約工 業革命前之两倍 ) 。 A2( 即 4 ℃ ) 則是聽其自然的温室氣体排放 情況，其二十一世紀的 CO2 排放量約為 B1 的两倍，在此情況 CO2 於 2100 年將高 達 860 ppm( 約工業革命前之三倍 ) 。

相對 20 世紀的 0.6 度增温， 21 世紀預測增温 約 3-6 倍，即 度。 2100

台灣二十世紀的氣候變化 ( 事實 ) 全球增温約 0.6 度，台灣增温約 1.1 度，將近 兩倍，原因可能與熱島效應有關。 1970 年以後台灣日照時數減少約 15% 。 1970 年以後台灣相對濕度明顯減少，霧已從 大城市消失。 1970 年以後全台甚至外島小雨約減少 30% ， 而中、大雨則有明顯增加， 大豪雨甚至增加 50% 以上 !

20 世紀全球增温約 0.6 度，台灣增温約 1.1 度 Taiwan

氣候變遷 : 極端天氣 一般人主要注意到全球温度漸漸增加及海平 面緩慢上升，認為這些變遷是漸進的、緩慢 的、甚至是遙遠的，缺乏急迫感。 其實極端天氣也會受氣候變遷的影響，世界 各地近幾年陸續注意到有有大雨增加及小雨 減少的現象 ( 見以下三圖 ) 。 但極端天氣隨氣候的變化很難預測，不定性 極高，尤其是區域性的變化更難預測。 因此 IPCC2007 對極端天氣受氣候變遷影響的預測 相當保守。

5~10 月毛毛雨（ <1.0 mm/d ）日数的 变化趋势 (%/10a)

Changes of Precipitation Spectra US (48 states)

極端天氣的重要性 小雨是土壤保持溼潤的重要水份來源， 大雨容易流失。 小雨是土壤保持溼潤的重要水份來源， 大雨容易流失。 小雨長期減少會加重旱災，尤其是台灣 西南部。 小雨長期減少會加重旱災，尤其是台灣 西南部。 四川的乾旱可能源於小雨長期減少，甚 至華北沙漠化也可能起因於小雨的減少。 四川的乾旱可能源於小雨長期減少，甚 至華北沙漠化也可能起因於小雨的減少。 大雨增加會導至水災。

Trenberth et al. (2003) hypothesized that the precipitation intensity should exceed the 7%/K rate humidity increase derived from the Clausius-Clapeyron equation, because precipitation rates from storms were determined by low- level moisture convergence, and the additional latent heat released from the increased moisture can invigorate the storms. However, quantitatively the hypothesis was not corroborated by results from an ensemble of 17 current climate models which estimates a global mean increase of precipitation intensity to be only ~2%/K.

如何預測全球暖化對 極端天氣的影響 ? (A) 氣候預報模式 目前的氣候模式對區域性的氣候變化的預測能力很 差，對區域性極端天氣基本上沒有預測能力。 這情形很像 1953 以前的氣象預報模式。 (B) 經驗氣候預報 經由分析過去觀測到的全球暖化對極端天氣的影響， 我們可能發展出經驗氣候預報的技術。台灣 1980 以前的氣象預報基本上都是經驗預報，目 前的降雨預報也主要是經驗預報。

用經驗預測法估計全球暖化對 極端天氣的影響 Based on: Temperature Dependence of Precipitation Extremes, Shaw Chen Liu, Congbin Fu, Chein-Jung Shiu, Jen-Ping Chen, and Futing Wu, GRL, 2009.

years of + 2 years of – Global temperature anomalies (land and ocean)

15 CWB stations (mm/hr)

15 CWB (mm/hr) Bin 10 (top 10%)

15 Taiwan CWB stations (mm/hr) 1961~2005 (These values can be used to “forecast” or project future changes in extreme precipitations if global temperature changes are known.)

Southern China

Rainfall for total Global Precipitation Climatology Project (GPCP) 2.5 o x 2.5 o, 5-day average (1997~2007), mostly from satellite observations.

Sun, Solomon et al. (2007): Results from IPCC2007 ensemble of 11 coupled climate models (B1 case/delta T, A2 case similar) GPCP data: , 29 years, 60N~60S, 2.5 o x 2.5 o, 5-day average

15 Taiwan CWB stations (mm/hr) 1961~2005 (These values can be used to “forecast” or project future changes in extreme precipitations if global temperature changes are known.)

B1( 即有效節能減碳的情況 ) 在 21 世紀末約增温 2 度，全台灣前 10% 強降雨會增加 ~140%x2 = ~280% 。而 A2( 即無節能減碳的情況 ) 在 21 世紀末 約增温 4 度，全台灣前 10% 強降雨會增加 ~140%x4 = ~560%! 粗略推測在 21 世紀末每年最大的颱風應會多帶 給台灣 100% (B1) - 200% (A2) 的雨量，更值得憂 慮的是 ” 小時瞬間雨量 ” 將超過 280%(B1) - 560%(A2) ，其摧毁力之大難以想像。 中、小雨的減少的影響也不容忽視，台灣中、 南部春冬两季常因缺少中、小雨而產生旱災， 此類旱災會更嚴重。 1960 至今極端降雨的變化己達到 21 世紀末 B1 的 三分之一。即全台灣前 10% 強降雨己增加約 100% ，而最小 20% 的小雨則己減少約 30% 。

全球都有類似台灣強降雨增加及小雨減少的現象。 此現象在低緯度區最嚴重，高緯度地區較緩和。 夏季豪雨發生地區水災在 21 世紀末將以倍數增加、 增強，而缺水地區旱災則會更嚴重。 解決之道 (mitigation) 須要阻止地球暖化，節能減碳、 甚至地球工程如大量反射陽光都應在考慮之內。 由於節能減碳須時甚久 (>20 年 ) ，因應措施 (adaptation) 必須迅速起動，包括防洪、防旱，甚至 全盤國土規劃。

台灣需要減排多少 CO2? 若要在 21 世紀內將 CO2 的濃度控制在工業革命前 (280 ppm) 的两倍以內，全球 CO2 的排放就必須 控制在大約目前的排放量 : 即平均每人每年五噸。 若要在 21 世紀內將 CO2 的濃度控制在工業革命前 (280 ppm) 的两倍以內，全球 CO2 的排放就必須 控制在大約目前的排放量 : 即平均每人每年五噸。 歐盟 2050 年之前減排至五噸，加州也是，所以台 灣也會被要求減排至五噸。 歐盟 2050 年之前減排至五噸，加州也是，所以台 灣也會被要求減排至五噸。 台灣目前平均大約每人每年排放十二噸， 2050 年 之前須減排 60% ，至五噸。 台灣目前平均大約每人每年排放十二噸， 2050 年 之前須減排 60% ，至五噸。 台灣溫室氣體減量法草案 (2007 立法院 ): 年減 排至十二噸 ! 台灣溫室氣體減量法草案 (2007 立法院 ): 2030 年減 排至十二噸 !

馬蕭白皮書 CO2 減排量 2050 年之前須減排至 2000 年之 50% ， 即約 5.5 噸。2050 年之前須減排至 2000 年之 50% ， 即約 5.5 噸。 2025 年之前須減排至 2000 年之排放量， 即約 11 噸。2025 年之前須減排至 2000 年之排放量， 即約 11 噸。 年排放量須回到 2008 年之 排放量，即約 12.5 噸。 年排放量須回到 2008 年之 排放量，即約 12.5 噸。

現在 2050 年 節約 + 效率 (20%?) 非碳能源 (40%?) 降低 CO 2 排放量（公噸 / 年 / 人） 太陽能 (5%?) 水力、風、海 (<5%) 生質能 (20%?) 核能 (20%) 台灣 全球 5 5 素食、節約能源 提升能源使用效率 資源再利用 ?oC?oC +

台灣能源成本之比較 註：資料來源為台灣電力公司； * 代表台電運轉實績 。

替代能源 太陽能的潛力最大 (1 hour solar energy~1 year global energy use) ，但成本太高，無法大量利用。 風力發電在台灣潛力有限，且不可靠。 台灣水力雖然豐富，但大部份早己開採利用。 因此剩下的 40% 減量絕大多數須來自生質能及核能。 生質能目前己在巴西及美國量產並用於汽車，但其缺 點是與糧食有排擠作用、佔取森林等用地、需要大量 肥料及農耕機燃料，因此減碳效率不高。 目前是發 核能固然有核廢物及安全等缺點，但在可控制範圍內， 因此目前是世界上大部份國家發展非碳能源的首選。

Geo-engineering ( 地球工程 ) 造林：可造林面積有限。 海洋加營養塩：技術不成熟，太小、太貴。 沙漠反光鏡：太貴，環境影响大。 太空反光鏡：太貴，時間太長，環境影响大。 平流層加懸浮微粒反射陽光（如火山微粒 ) ：目 前看起來最可行。

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